18.09.2010

Физики вывели фотоны на квантовую прогулку

С помощью небольшой кремниевой пластины с волноводами группа учёных из Великобритании, Японии, Израиля и Нидерландов провела наблюдение случайного квантового блуждания двух фотонов.

Классическое случайное блуждание легче всего рассматривать на одномерном примере. Предположим, движение начинается в точке «0», и на каждом шаге мы смещаемся на единицу влево или вправо, причём направления равновероятны. Подкинув монетку два раза, мы, как несложно догадаться, окажемся либо в точке «2», либо в «-2», либо вернёмся в начальное состояние, а на пятом шаге нам уже будут доступны точки «5», «-5», «3», «-3», «1» и «-1». Подобные модели — с бoльшим числом измерений и прочими модификациями — можно использовать для описания самых разнообразных процессов.

В квантовом варианте модели необходимо учитывать, что до измерения частица находится в суперпозиции состояний. Если, к примеру, фотон направить на светоделитель, то на выходе он будет двигаться «сразу по двум направлениям».

Новый опыт использовал 21 волновод длиной около 700 мкм, между которыми фотоны могли туннелировать; чтобы облегчить им задачу, физики сблизили волноводы на 2,8 мкм. Основной проблемой, по словам руководителя работ Джереми О’Брайена (Jeremy O’Brien) из Бристольского университета, стал вывод частиц через оптоволокно к детекторам: организовать соединение с оптоволокном можно только в том случае, если расстояние между соседними волноводами превышает 127 мкм. Следовательно, последние необходимо распускать веером и следить за тем, чтобы появление изгибов не приводило к потере фотонов. По расчётам авторов, при использовании традиционных волноводов из диоксида кремния минимальная необходимая длина участка, на котором интервал между элементами увеличивается от 2,8 до 125 мкм, составляет несколько метров. Устройства таких размеров на практике, конечно же, не реализуются.

Решить задачу помогли волноводы из оксинитрида кремния, применение которых сделало разницу в показателе преломления между сердцевиной и кремниевой оболочкой волновода более заметной. В результате исследователи получили возможность проектировать более резкие изгибы волноводов и уменьшать их длину до нескольких миллиметров.

Ранее квантовое случайное блуждание уже наблюдалось на примере одиночных фотонов, но ценность экспериментов несколько снижал тот факт, что их результат можно описать в классическом волновом представлении (соответствующее доказательство было опубликовано в журнале Physical Review A ещё в 2003 году). В рассматриваемом опыте «принимали участие» пары идентичных фотонов, для которых найти классический аналог блуждания уже не получится. Для создания пар по обычной методике спонтанного параметрического рассеяния использовались нелинейный кристалл бората висмута BiB3O6 и полупроводниковый лазер, работавший на длине волны в 402 нм.

При попадании идентичных фотонов в систему волноводов авторы наблюдали ожидаемый эффект квантовой интерференции. Они также пробовали задерживать поступление второй частицы и добились того, что картина на выходе стала соответствовать классической интерференции.

«Теперь мы легко можем перейти к экспериментам с бoльшим числом фотонов, — оптимистично заявляет г-н О’Брайен. — Принято считать, что квантовый компьютер точно не будет построен в ближайшие 25 лет. Мне кажется, с нашей технологией можно менее чем за десять лет создать такой компьютер, который будет проводить вычисления, выходящие за пределы возможностей классических машин».

Полная версия отчёта опубликована в журнале Science; препринт статьи можно скачать с сайта arXiv.

Источники:

1. compulenta.ru
2. physicsworld.com